Electrodes à oxygène en couches minces nano-structurées pour dispositifs électrochimiques à oxyde solide : optimisation du dépôt, caractérisation et modélisation

Nanostructured Thin Film Oxygen Electrodes for Solid Oxide Electrochemical Devices: Deposition Optimisation, Characterisation, and Modelling

• Auteur / Autrice : Silvère Panisset
• Direction : Monica Burriel lopez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 18/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique
• Jury : Président / Présidente : Eirini Sarigiannidou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mónica Burriel lopez, Albert Tarancon, Jean-Marc Bassat, Alejandro A. Franco, Ozden Celikbilek agnese
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Albert Tarancon, Jean-Marc Bassat

Mots clés

Mots clés libres

Cellules à oxydes solides (SOC)

Couches minces nano-architecturées

Electrode à oxygène

Dépôt chimique en phase vapeur d’organométalliques (MOCVD)

Modélisation à l’échelle de la microstructure

Batterie à ions oxygènes (OIB)

Solid oxide cells (SOC)

Thin films nanoarchitectured

Oxygen electrode

Metallorganic chemical vapor deposition (MOCVD)

Microstructure scale modelling

Oxygen ion battery (OIB)

Résumé

Cette thèse porte sur l'optimisation d’électrodes à oxygène formées de films minces (≤1000 nm) déposés par injection pulsée de dépôt chimique en phase vapeur assisté par organométallique (PI-MOCVD) et sur leur caractérisation électrochimique. L'étude se concentre sur des films minces nano-colonnaires La2NiO4 (L2NO4), un matériau conducteur mixte ionique-électronique (MIEC) prometteur pour l’électrode à oxygène des cellules à oxyde solide (SOC) à température intermédiaire ou basse. Une modélisation électrochimique par la méthode des éléments finis a été réalisée en 3D à l’échelle de la morphologie nano-colonnaire pour prédire l'épaisseur et la microstructure optimales du film. Ces résultats numériques ont guidé l'optimisation du dépôt des films minces de L2NO4. Pour améliorer davantage les performances de l'électrode, nous avons exploré la substitution du La par le Pr afin d'augmenter l'activité intrinsèque du matériau. Pour la première fois, des films minces de Nickelate de Lanthane-Praséodyme (LaPrNiO4) ont été déposés avec succès par PI-MOCVD. Des études cinétiques, incluant la relaxation de la conductivité électrique (ECR) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), ont été réalisées, ainsi que des tests de stabilité à court terme. De plus, un nouveau dispositif a été développé pour effectuer des mesures EIS in situ pendant le dépôt par PI-MOCVD, fournissant des informations précieuses sur la relation entre la réponse électrochimique et la morphologie ainsi que sur la contamination potentielle de surface. Enfin, nous avons exploré le potentiel du L2NO4 en tant que matériau cathodique pour les batteries à ions oxygène (OIB), une nouvelle classe de batteries à l'état solide. Des configurations demi-pile et pile complète ont été fabriquées et testées avec succès, démontrant la faisabilité de combiner des matériaux MIEC sous- et sur-stœchiométriques en tant qu'électrodes pour les OIB.

This thesis investigates the optimization of thin film oxygen electrodes (≤1000 nm) deposited by Pulsed Injection-Metal Organic Chemical Vapor Deposition (PI-MOCVD) and their subsequent electrochemical characterization. The study focuses on nano-columnar porous thin films of La2NiO4+δ (L2NO4), a mixed ionic-electronic conducting (MIEC) material and promising oxygen electrode for intermediate- to low-temperature Solid Oxide Cells (SOC). A 3D Finite Element Method electrochemical model was developed at the scale of the nano-columnar morphology, to predict the optimal film thickness and microstructure. These numerical insights guided the optimization of L2NO4 thin film deposition. To further enhance the electrode performance, we explored the possibility of partially substituting La with Pr to increase the intrinsic activity of the material. Lanthanum-praseodymium nickelate (LaPrNiO4) thin films were successfully deposited using PI-MOCVD for the first time. Kinetic studies, including Electrical Conductivity Relaxation (ECR) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), were conducted, along with short-term stability tests. Additionally, a novel setup was developed for in situ EIS measurements during PI-MOCVD deposition, providing valuable insights into the electrochemical-morphology relationship during growth and potential surface contamination. Finally, the potential of L2NO4 as a cathode material for oxygen ion batteries (OIB), a new class of solid-state batteries, was explored. Both half-cell and full-cell configurations were successfully fabricated and tested, demonstrating the feasibility of combining under- and over-stoichiometric MIEC materials as OIB electrodes.